Globos para los Rayos Cósmicos

Los astrónomos han pensado por mucho tiempo que las supernovas son la fuente de los rayos cósmicos. Sin embargo, existe una inquietante discrepancia entre la teoría y las mediciones. El lanzamiento de un globo sonda, que ya se encuentra flotando sobre la Antártica, podría ayudarnos a resolver este misterio.

see caption Estire su mano y sosténgala durante unos 10 segundos. Una docena de electrones y muones acaban de atravesar su palma sin que usted lo haya sentido. Estas fantasmales partículas son llamadas por los científicos "rayos cósmicos secundarios" -- sobrantes subatómicos de las colisiones entre moléculas localizadas a gran altura en la atmósfera terrestre y rayos cósmicos de alta energía provenientes del espacio exterior.

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos y electrones que viajan a través de la galaxia a una velocidad cercana a la de la luz. La Vía Láctea está llena de rayos cósmicos. Afortunadamente, la magnetósfera y la atmósfera de nuestro planeta nos protejen de la mayoría de los rayos cósmicos. Aún así, los más poderosos -que pueden llevar consigo mil millones de veces más energía que las partículas creadas dentro de los aceleradores atómicos en la Tierra- producen grandes tormentas de partículas secundarias en nuestra atmósfera que sí pueden alcanzar la superficie de nuestro planeta. [más datos]

Arriba: Explosiones de supernova, como la que creó la Nebulosa del Cangrejo (fotografía), podrían ser la fuente de los rayos cósmicos galácticos.

¿De dónde provienen los rayos cósmicos? Los científicos han estado tratando de contestar esta pregunta desde 1912, cuando Victor Hess descubrió las misteriosas partículas volando en un globo a gran altitud sobre Europa. Los rayos cósmicos galácticos llueven sobre nuestro planeta desde todas partes. No existe una fuente definida que los astrónomos puedan señalar aunque haya un candidato muy popular.

"La mayoría de los investigadores creen que los rayos cósmicos provienen de las explosiones de supernova", dice Jim Adams del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. Cuando las estrellas masivas explotan lanzan sus propias atmósferas al espacio. Las ondas de choque en expansión pueden romper átomos interestelares y acelerar los sobrantes de estos rompimientos hasta convertirlos en la energía de los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son, más tarde, dispersados por campos magnéticos interestelares -- y vagan a traves de la galaxia perdiendo el sentido de su dirección original. 

"Se necesita una gran potencia para mantener la población galáctica de rayos cósmicos," dice Adams. "Los rayos cósmicos que pierden energía o que escapan de los confines de la galaxia tienen que ser reemplazados. Las supernovas pueden hacer este trabajo solamente si una de ellas explota más o menos cada 50 años. Los observadores calculan que una supernova explota en algún lugar de la galaxia de cada 10 a 100 años -- apenas suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de los rayos cósmicos.

Sin embargo, puede que exista un problema con la teoría de las supernovas, dice Adams.

"Una explosión de supernova genera una burbuja en el medio interestelar que crece hasta que la onda de choque se queda sin energía", explicó. "Estas burbujas pueden acelerar partículas hasta un cierto punto, alrededor de los 1014 electrón-volts (eV) por cada núcleo atómico, pero no más allá. Por debajo de los 1014 eV de energía , todas las diferentes especies de rayos cósmicos --protones, núcleos de Helio, etc. -- deberían tener el mismo tipo de espectro de energía: una ley de potencias con un índice cercano a -2.7."

see captionIzquierda: Esta gráfica logarítmica muestra el flujo de rayos cósmicos que bombardea la Tierra como una función de la energía por partícula. Los investigadores creen que los rayos cósmicos con energías menores a los ~3x1015 eV provienen de las explosiones de supernova. El origen de los rayos cósmicos mucho más energéticos que éstos (arriba de la "rodilla" en el diagrama) sigue siendo un misterio.

Una espectro tipo "ley de potencias" tiene forma de línea recta en un papel logarítmico. En el rango de energías de ~1010 eV a 1014 eV, la teoría de la aceleración de los rayos cósmicos en las supernovas predice que el espectro en ley de potencias de los protones tendría la misma pendiente que la ley de potencias de núcleos más pesados (alrededor de -2.7).

El problema surge cuando los científicos comparan el espectro de energía de los protones y los núcleos de Helio, pues no se parecen tanto como deberían. Ambos presentan espectros tipo ley de potencias, sin embargo "los datos que se tienen indican una posible diferencia de 0.1 entre los índices espectrales de los protones y los núcleos de Helio," dice Eun-Suk Seo, investigadora de los rayos cósmicos de la Universidad de Maryland. "El [la pendiente del] espectro de los protones es cercano a -2.7, pero el espectro de energía del Helio y los núcleos más pesados parecería estar menos inclinado. La diferencia es pequeña y podría no ser estadísticamente significativa". Si hubiera una discrepancia genuina, añade Seo, podría existir un problema con la teoría de la aceleración de los rayos cósmicos en las supernovas.

Para averiguar si la teoría de las supernovas está de hecho en peligro, un equipo de científicos dirigidos por John Wefel (Universidad Estatal de Louisiana) y Eun-suk Seo, y con ayuda del Centro Nacional de Ciencia con Globos Sonda, lanzaron un globo lleno de Helio desde McMurdo, Antártica, el 28 de diciembre del 2000. La carga útil, que se encuentra ahora a 120,000 pies por encima de la superficie terrestre, incluye un espectrómetro de rayos cósmicos construido con fondos de la NASA, conocido por sus creadores como el Calorímetro Delgado para Ionización de Diseño Avanzado o "ATIC", por sus siglas en inglés.

"ATIC es sensible a los rayos cósmicos con energías entre los ~1010eV y los 1014eV", dice Wefel. Al cubrir tal rango de energías con un solo espectrómetro, el equipo espera poder medir el espectro de los rayos cósmicos protónicos y de Helio con una precisión alcanzada hasta ahora.

see captionRight: La carga útil del ATIC cuelga de un vehículo de lanzamiento mientras el globo es llenado al fondo por personal del Centro Nacional de Ciencia con Globos Sonda. El experimento ATIC despegó hacia su vuelo circumpolar para medir rayos cósmicos galácticos este 28 de diciembre, 2000.

"Los rayos cósmicos de alta energía son raros", continuó. "Por ejemplo, cada día el ATIC recolecta no más de ~10 rayos cósmicos con energías que excedan los 1013 eV. Por eso debemos volar el globo durante tanto tiempo, para juntar suficientes partículas y para obtener un resultado estadísticamente significativo". Cuando el ATIC aterrice, el 12 o 13 de enero, el espectrómetro habrá estado en la estratósfera contando rayos cósmicos por casi dos semanas enteras.

La principal razón por la que los investigadores escogieron volar el globo sonda sobre la Antártica es el tiempo de vuelo. "Estaríamos felices de volar esta carga útil sobre Norteamérica" dice Adams. "El problema es que necesitamos tener al espectrómetro a bordo durante mucho tiempo. La Antártica tiene dos grandes ventajas: es territorio internacional, por lo que no tenemos que solicitar tantos permisos de sobrevuelo y, el Vórtex Antártico (un sistema de clima circulante alrededor del Polo Sur) mantiene el globo confinado al espacio aéreo sobre el continente".

"Si existe una diferencia entre los espectros protónicos y de Helio -- algo de lo cual no estamos seguros -- no será necesario desechar el modelo de las supernovas". continuó Wefel. "Sin embargo, una discrepancia sí causaría problemas".  Los teóricos tendrían que considerar el avance de los frentes de choque de las explosiones de supernova con mayor detalle. "Cada explosión de supernova es una obra de arte en sí misma", dice Adams. "Nosotros usamos modelos matemáticos en los que se asume que las explosiones son esféricas, pero no lo son. Dentro de la propia onda en expansión, se pueden ver irregularidades. Hay nudos brillantes, por ejemplo, en aquellos lugares donde las ondas de choque se encuentran con una nube de material interestelar. En grupos apelmazados de estrellas masivas (asociaciones OB) donde las supernovas pueden ocurrir en rápida sucesión, las ondas de expansión colisionan unas con otras" ¡se puede volver un poco confuso! Modelar tales detalles podría afectar cualquier reconciliación entre la teoría y los datos.

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Arriba: La carga util del globo ATIC. HAga click en la imagen para averiguar cómo funciona el Calorímetro Delgado para Ionización de diseño Avanzado.

¿Y si el modelo de las supernovas no puede ser rescatado? "Hay otras posibilidades," dice Wefel, "Pero no hay muchas que sean buenas. Vamos a tener que buscar con mucho cuidado para encontrar algo que cumpla con los requerimientos de los rayos cósmicos y que no sean las supernovas."

El grupo de análisis dirigido por Eun-Suk Seo está ansioso para lanzarse sobre los archivos de datos del ATIC después de que aterrice. Los nuevos conteos de partículas, que los investigadores esperan sean los más precisos hasta la fecha en el rango de energías del ATIC, podrían ayudar a resolver el misterio de los rayos cósmicos, que data de hace varias décadas.

Visite la página principal del ATIC para un reporte de situacion actual sobre el vuelo del globo sonda . Entre los Participantes del proyecto ATIC se incluyen a la Universidad Estatal de Louisiana, la Universidad de Maryland, NASA, el Laboratorio de Investigaciones Navales, La Universidad Sureña (Baton Rouge), La Fundación Nacional para la Ciencia, y colaboradores de Alemania, Corea y Rusia.

Enlaces de interés

El Experimento en Globo Sonda del Calorímetro Delgado para Ionización de diseño Avanzado (ATIC) -página principal

Vídeos del ATIC - una colección de películas sobre el proyecto ATIC

Actividades con rayos cósmicos en el salón de clases -por el equipo ATIC en LSU

Rayos cósmicos, ¿Qué son? - de "Imagina al Universo", en NASA Goddard

Programa Científico de la NASA con Globos Sonda - quiénes apoyan en el envío, el vuelo y la recuperación del ATIC.

Supernovas y Remanentes de Supernova - un "tutorial" del Centro Chandra para la Ciencia en Harvard ."Guía de campo para la Astronomía de rayos X".